本發(fā)明涉及微納結(jié)構(gòu)制造，具體來說是細(xì)菌包埋的微納結(jié)構(gòu)基底及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、石英玻璃具有優(yōu)異的光學(xué)性能，不僅可見光透光度特別好，而且透紫外線和紅外線。石英玻璃是良好的耐酸材料，除氫氟酸和300℃以上的熱磷酸外，在高溫下，它能耐硫酸、硝酸、鹽酸、王水、中性鹽類、碳和硫的侵蝕，其化學(xué)穩(wěn)定性相當(dāng)于耐酸陶瓷的30倍，相當(dāng)于鎳鉻合金和陶瓷的150倍，且具有耐高溫、耐熱震、熱膨脹系數(shù)特別小的優(yōu)點(diǎn)。另外，石英玻璃電學(xué)性能極佳，常溫下其電阻相當(dāng)于普通玻璃的10倍，對全部頻率的介電損失很微小，絕緣耐壓強(qiáng)度大。石英玻璃主要用于電光源、半導(dǎo)體、光學(xué)新技術(shù)方面，在生物檢測方面主要作為檢測基片被應(yīng)用。

2、石英具有十分穩(wěn)定的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，主要由sio2組成，以其優(yōu)秀的光學(xué)性能被廣泛應(yīng)用，由于它比k9玻璃的透過率更高，硬度也更大，石英加工起來更加困難，尤其在精度要求高的情況下?，F(xiàn)有技術(shù)中在石英材料表面獲得微納米結(jié)構(gòu)的方法包括：利用飛秒激光相干的方法在玻璃表面制備周期結(jié)構(gòu)；基于紫外光納米壓印技術(shù)，采用軟模具和逆壓印工藝實(shí)現(xiàn)在石英材料表面大面積周期陣列微結(jié)構(gòu)的制備；另外還有電子束光刻、干法蝕刻光刻、光刻法光刻、納米壓印光刻和通過掩膜拖動的激光燒蝕。通常這些制備過程包括兩個典型的步驟：一是掩模結(jié)構(gòu)的制備，如曝光光刻膠或自組裝膠體晶體；二是隨后的目標(biāo)基板刻蝕，如電子束刻蝕、反應(yīng)離子刻蝕或保護(hù)犧牲層下的電感耦合等離子體刻蝕。然而，這些方法在模板的制作、腐蝕劑的選擇及基片材料的選擇上都存在著各自的問題，特別是對于硬處理窗口材料，如石英玻璃和藍(lán)寶石，蝕刻過程造成抗蝕劑耐久性和材料去除效率低的問題。另外，這些技術(shù)設(shè)備昂貴，加工步驟繁瑣，且對基底的平整度有較高的要求，導(dǎo)致成本很高。

3、原子力微納操縱技術(shù)以其分辨率高、掃描速度快、可定量檢測力學(xué)參數(shù)、可實(shí)現(xiàn)生理狀態(tài)下檢測的優(yōu)勢，成為近年來在納米尺度上對生物樣本進(jìn)行觀察和表征的優(yōu)勢技術(shù)。但是由于細(xì)菌本身的高活躍性，使得在制備生理狀態(tài)下的細(xì)菌樣本變得復(fù)雜，需要先將細(xì)菌固定在基底上，然后再使用原子力顯微鏡進(jìn)行形貌以及力學(xué)特征的表征，目前常用的生物粘合劑有明膠、聚賴氨酸、cell-taktm和實(shí)現(xiàn)了對細(xì)菌數(shù)小時內(nèi)的生理狀態(tài)觀察。

4、生理狀態(tài)下對細(xì)菌進(jìn)行原子力顯微鏡表征大多采用吸附、交聯(lián)、共價結(jié)合和封裝的方法。由于原子力顯微鏡是表面成像技術(shù)，所以封裝方法并不適合用來表征。用于共價結(jié)合的活性基團(tuán)和用于交聯(lián)的試劑會影響細(xì)菌的生理狀態(tài)，所以只適合固定已經(jīng)死亡的細(xì)菌，不利于活菌的檢測。對于原子力顯微鏡而言，如果細(xì)菌需要牢固地附著在基底上而不影響其生理活性，則吸附、包埋是最佳選擇；吸附是利用生物粘合劑來增強(qiáng)細(xì)胞膜負(fù)電荷離子與基底表面之間的靜電相互作用，從而將細(xì)菌樣品吸附在基底上，但是吸附后容易發(fā)生細(xì)菌的團(tuán)聚，沒有生物粘合劑的話細(xì)菌會因?yàn)楦呋钴S性而無法觀測。

5、與現(xiàn)有技術(shù)的上述方法相比，目前認(rèn)為包埋法是最佳的采用原子力顯微鏡對細(xì)菌進(jìn)行觀測的方法。包埋法與吸附法作用原理一樣，不同的是包埋需要微納米結(jié)構(gòu)的襯底將細(xì)菌困在表面結(jié)構(gòu)中，但是考慮到在采用現(xiàn)有技術(shù)制備方法下獲得的微納米結(jié)構(gòu)基底價格昂貴，不適合大量使用，所以基本在進(jìn)行原子力顯微鏡表征中無法得到應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供了細(xì)菌包埋的微納結(jié)構(gòu)基底及其制備方法和應(yīng)用，本發(fā)明先于石英材料上蒸鍍金屬膜，然后將多光束激光干涉光刻技術(shù)作用于金屬膜表面，并將激光干涉光場分布形成的圖案轉(zhuǎn)移到石英材料表面，再通過化學(xué)方法去除多余的金屬膜，在石英材料表面獲得微納結(jié)構(gòu)，得到細(xì)菌包埋的微納結(jié)構(gòu)基底。本發(fā)明制備方法簡便，制備時間短，所需設(shè)備相對現(xiàn)有技術(shù)細(xì)菌包埋的微納結(jié)構(gòu)基底制備的設(shè)備廉價，有效降低了細(xì)菌包埋的微納結(jié)構(gòu)基底的制備成本；另外，本發(fā)明對石英材料的平整度要求不高，能夠?qū)崿F(xiàn)大面積微納結(jié)構(gòu)的制備。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

3、本發(fā)明保護(hù)了細(xì)菌包埋的微納結(jié)構(gòu)基底的制備方法，包括如下步驟：

4、于石英材料上蒸鍍金屬膜，得到基底；采用多光束的激光干涉光刻技術(shù)作用于基底的金屬膜上，并將激光干涉光場分布形成的周期性圖案轉(zhuǎn)移到石英材料表面，得到預(yù)處理基底；清洗去除預(yù)處理基底表面的金屬膜，得到細(xì)菌包埋的微納結(jié)構(gòu)基底。

5、優(yōu)選的，金屬膜的厚度為50-200nm；金屬薄膜過厚可能導(dǎo)致激光能量停留在金屬薄膜表面，無法在石英表面留下圖案；過薄可能會因?yàn)槭⒕w高透的特點(diǎn)，導(dǎo)致激光能量無法在石英表面留下，也就是絕大部分的激光能量都穿透石英，而無法留下微納結(jié)構(gòu)。

6、優(yōu)選的，金屬膜的金屬選自鋁、銅、銀或者金。

7、優(yōu)選的，多光束的激光干涉光刻技術(shù)的條件為：工作波長1064nm，脈寬6ns，頻率10hz，每個單激光的能量均為0.01-1j/cm2，脈沖持續(xù)時間7-9ns，曝光時間10-40s；時間過長結(jié)果會出現(xiàn)裂紋，這是由于閾值過大導(dǎo)致的；時間過短會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)邊緣粘連，無法達(dá)到理想結(jié)構(gòu)高度差，影響對細(xì)菌的包埋，使得細(xì)菌發(fā)生團(tuán)聚，條件中最主要的參數(shù)是每個單激光的能量。

8、優(yōu)選的，多光束的激光干涉光刻技術(shù)中，光束≥2。

9、優(yōu)選的，采用酸液對預(yù)處理基底表面進(jìn)行清洗，直至預(yù)處理基底上無金屬。

10、本發(fā)明還保護(hù)了上述制備方法制得的細(xì)菌包埋的微納結(jié)構(gòu)基底，微納結(jié)構(gòu)的周期范圍為0.5-10μm，微納結(jié)構(gòu)的深度為0.05-2μm，周期范圍為：最小單位的微納結(jié)構(gòu)相同位置到下一個最小單位的微納結(jié)構(gòu)對應(yīng)相同位置的長度，以網(wǎng)格狀為例，網(wǎng)格的一條邊到下一個網(wǎng)格相同位置的一條邊的距離。

11、優(yōu)選的，微納結(jié)構(gòu)的形狀包括錐形、楔形、金字塔形、倒金字塔形、半圓形、六邊柱形和圓柱形，微納結(jié)構(gòu)的形狀對原子力顯微鏡檢測沒有影響。

12、本發(fā)明還保護(hù)了細(xì)菌包埋的微納結(jié)構(gòu)基底在制備細(xì)菌包埋的微納結(jié)構(gòu)基底@包埋細(xì)菌材料中的應(yīng)用，細(xì)菌包埋的微納結(jié)構(gòu)基底@包埋細(xì)菌材料按照如下步驟制備：

13、于細(xì)菌包埋的微納結(jié)構(gòu)基底上負(fù)載生物粘合劑后進(jìn)行干燥，得到修飾細(xì)菌包埋的微納結(jié)構(gòu)基底；于修飾細(xì)菌包埋的微納結(jié)構(gòu)基底上包埋細(xì)菌，得到細(xì)菌包埋的微納結(jié)構(gòu)基底@包埋細(xì)菌材料。

14、優(yōu)選的，生物粘合劑選自明膠、聚賴氨酸、cell-taktm和

15、優(yōu)選的，包埋的方法為：將細(xì)菌滴加于修飾細(xì)菌包埋的微納結(jié)構(gòu)基底上，然后將水滴加于細(xì)菌上進(jìn)行液封。

16、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：

17、1、本發(fā)明先于石英材料上蒸鍍金屬膜，然后將多光束激光干涉光刻技術(shù)作用于金屬膜表面，通過干涉光疊加光場再分布的光場與金屬膜之間產(chǎn)生相互作用，在金屬膜與石英材料基底表面的界面處形成新的能量分布，利用光與金屬膜之間的作用將周期結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移至石英材料表面，進(jìn)而改變石英材料表面的結(jié)構(gòu)，再通過化學(xué)方法將石英材料表面殘留的金屬膜去除，于基底上獲得周期結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)石英材料表面大面積周期結(jié)構(gòu)的制備，獲得細(xì)菌包埋的微納結(jié)構(gòu)基底。本發(fā)明細(xì)菌包埋的微納結(jié)構(gòu)基底的制備方法簡單、加工速度快、加工面積大、結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)節(jié)簡單。

18、本發(fā)明采用多光束激光干涉光刻技術(shù)進(jìn)行細(xì)菌包埋的微納結(jié)構(gòu)基底的制備，多光束激光干涉光刻技術(shù)實(shí)現(xiàn)包括多次曝光的雙光束干涉曝光、三光束干涉曝光、四光束干涉曝光，裝置簡單，多次曝光的多光束干涉易通過改變多個光束的交叉角度來改變周期；結(jié)構(gòu)的對稱性能夠通過調(diào)控連續(xù)曝光下石英材料的旋轉(zhuǎn)角度來確定，操作簡單易行，可控性強(qiáng)。

19、本發(fā)明提供的方法實(shí)現(xiàn)了無掩模的加工，加工時間僅為幾秒到十幾秒，一次成型，并且能夠通過多光束多次曝光的靈活使用，得到不同排列的結(jié)構(gòu)類型。

20、2、本發(fā)明提供了新的細(xì)菌包埋的微納結(jié)構(gòu)基底的制備方法，使得降低了細(xì)菌包埋的微納結(jié)構(gòu)基底的制備成本，獲得的細(xì)菌包埋的微納結(jié)構(gòu)基底上具有微納結(jié)構(gòu)，能夠?qū)?xì)菌進(jìn)行包埋，方便采用原子力顯微鏡對生理狀態(tài)下單個細(xì)菌進(jìn)行形貌和物理特性的表征。

21、本發(fā)明將吸附和包埋兩種技術(shù)相結(jié)合，減緩細(xì)菌團(tuán)聚現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)采用原子力顯微鏡對細(xì)菌進(jìn)行生理狀態(tài)下的表征；即采用激光干涉光刻技術(shù)制造出包埋細(xì)菌所需要的細(xì)菌包埋的微納結(jié)構(gòu)基底，再采用生物粘合劑進(jìn)行吸附，在不影響細(xì)菌生理狀態(tài)的條件下，實(shí)現(xiàn)對細(xì)菌黏附效率和黏附質(zhì)量的提升?？朔F(xiàn)有技術(shù)共價結(jié)合的活性基團(tuán)和用于交聯(lián)的試劑影響細(xì)菌的生理狀態(tài)、封裝方法不合適表征、交聯(lián)試劑影響細(xì)菌的生理狀態(tài)、吸附容易團(tuán)聚的問題，且得益于純物理結(jié)構(gòu)的包埋和吸附，不會對細(xì)菌的生理狀態(tài)產(chǎn)生較大的影響。

22、3、與現(xiàn)有技術(shù)相比，現(xiàn)有的激光干涉光刻技術(shù)由于其自身的干涉特點(diǎn)所限，只能制備出單一形狀的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明采用多光束干涉進(jìn)行調(diào)制，實(shí)現(xiàn)了微納結(jié)構(gòu)的制備；同時，本發(fā)明不僅能夠通過制備單一形狀結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)在二維單位平面面積內(nèi)增加三維的光子作用接觸面，還能夠通過調(diào)節(jié)干涉參數(shù)，利用多角度多次曝光和移動多次曝光的方式，實(shí)現(xiàn)不同形狀拼接的大面積多周期微納結(jié)構(gòu)的制備。

23、4、本發(fā)明制備的微納結(jié)構(gòu)的周期范圍最低為0.5μm，達(dá)到激光波長(1064nm)的一半?，F(xiàn)有技術(shù)中，周期范圍1μm一般是微納加工技術(shù)的極限，當(dāng)然通過特殊加工比如飛秒激光加工能夠達(dá)到更小值，但是現(xiàn)有技術(shù)0.5μm的大面積加工效率很低且成本相對高出很多。本發(fā)明能夠獲得周期范圍最低為0.5μm的原因是：不受光學(xué)器件的衍射極限限制，衍射極限是光刻機(jī)技術(shù)發(fā)展的主要技術(shù)瓶頸，同時導(dǎo)致光學(xué)光刻設(shè)備成本極高。